石材表层嵌埋CFRP筋粘结性能试验研究

在花岗岩石梁受拉区嵌入CFRP筋以提高其抗弯承载力,对既有石结构加固和拓展现代石结构的应用范围具有重要意义。为研究石梁表层嵌埋CFRP筋组合石梁中CFRP筋、粘结剂与花岗岩的粘结性能,开展了26个直接拔出试件的试验研究。主要研究参数包括CFRP筋直径大小、CFRP筋嵌埋长度和粘结剂保护层厚度。试验现象揭示了3种典型破坏...     

考虑位置函数的木材表面嵌筋粘结滑移本构关系

木材表面嵌筋加固是提升木结构构件力学性能的有效加固方法,木材与筋材之间良好的协同工作性能是保证其加固效果的基础,内嵌筋材与木材的粘结滑移本构关系是理论计算与有限元分析的重要依据。该文基于6组18个原木木材表面内嵌钢筋试件的拔出试验结果,首先分析计算试验中量测得到的钢筋应变以及钢筋相对于试件端部的滑移值,得到了局部粘结应力和相对滑移量沿锚固长度的分布曲线,由其分布规律可知局部粘结应力呈双峰状分布,相对滑移量分布与锚固长度相关;进而分析了不同位置处的粘结滑移曲线以及同一滑移值下的粘结应力分布曲线,可知不同应变测点处的粘结滑移曲线分布规律不同;之后采用归一化的方法给出了描述粘结滑移关系的位置函数,并讨论了钢筋直径以及锚固长度对位置函数分布的影响;最后建立了考虑位置函数的木材表面嵌筋粘结滑移本构关系。     

BFRP筋与低碱度硫铝酸盐水泥混凝土粘结性能试验

为研究玄武岩纤维增强聚合物复合材料(Basalt fiber reinforced polymer,BFRP)筋与低碱度硫铝酸盐水泥混凝土的粘结性能,对共90个粘结试件进行中心拉拔试验,研究了筋材表面形貌、混凝土强度等级等因素对粘结性能的影响。试验结果表明：对筋材表面进行喷砂、缠绕纤维和螺纹处理能显著提高粘结性能,深螺纹环氧树脂BFRP筋与65 MPa低碱度硫铝酸盐水泥混凝土的粘结强度高达39.09 MPa,远大于光滑BFRP筋的13.32 MPa。强度等级对BFRP筋-低碱度硫铝酸盐水泥混凝土粘结试件的粘结强度的影响更明显,此外BFRP筋与低碱度硫铝酸盐水泥混凝土粘结性能高于普通硅酸盐混凝土。最后,通过Cosenza-ManfrediRealfonzo(CMR)模型和修正后的Bertero-Popov-Eligehausen(mBPE)模型)对BFRP筋-混凝土粘结试件的粘结滑移(τ-s)曲线进行拟合,发现CMR模型对粘结滑移曲线的上升段拟合效果较好,清晰准确地反映了其粘结-滑移本构关系,为研究BFRP筋增强硫铝酸盐水泥混凝土结构的力学性能提供了关键理论依据。     

基于OpenSees的钢筋混凝土梁粘结滑移数值分析

粘结滑移性能的数值分析是钢筋混凝土结构研究的热点,该文在总结现有粘结滑移本构关系的基础上,采用分离式思想在OpenSees中建立粘结滑移精细化分析模型,并通过拉拔试件与RC梁构件的数值分析研究梁中钢筋与混凝土的粘结滑移作用,同时考虑箍筋量对构件滑移分布的影响。经过该文分析可知,该数值分析模型具有一定的合理性,能较准确的反映出粘结应力、滑移等分布的规律;通过梁构件数值分析可知,其整体性能受到粘结性能、钢筋滑移量大小及箍筋配置等的影响,箍筋的配置对构件局部滑移会产生一定的影响,但对滑移的整体分布影响并不显著。     

基于粘结-滑移的FRP筋钢纤维轻骨料混凝土梁裂缝宽度计算方法

将纤维增强筋(FRP筋)混凝土梁裂缝的开展过程视作FRP筋由两侧混凝土中拔出的过程,建立了基于粘结-滑移的FRP筋轻骨料混凝土梁裂缝宽度微分方程。根据规范给出的裂缝宽度限值,合理确定滑移量上限,提出并引入了适用于梁正常使用阶段的FRP筋钢纤维轻骨料混凝土“低滑移”阶段粘结-滑移本构模型。进而,在明确最大裂缝间距l_max、裂缝宽度放大系数h₂/h₁与裂缝截面纤维混凝土残余应力σ_fib等特征参数的基础上,利用迭代算法建立了FRP筋钢纤维轻骨料混凝土梁最大裂缝宽度计算模型。基于正常使用阶段裂缝宽度实测数据对建议模型的适用性进行评估,结果表明:裂缝宽度限值0.5 mm内,建议模型能够准确预测FRP筋钢纤维轻骨料混凝土梁的最大裂缝宽度。     

高温后CFRP筋及其粘结式锚固系统的力学性能

为明确高温后碳纤维增强树脂复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)筋材及其粘结型锚固系统的力学性能,以筋材的处理温度为试验参数,完成了12个筋材试件的轴向拉伸试验;以粘结式锚具的处理温度和粘结长度为试验参数,完成了36个试件的锚固性能试验。结果表明:对于筋材轴向拉伸试件,处理温度为100℃时,筋材静力性能与常温试件相比未发生明显变化,筋材经历200℃和300℃温升作用后,其抗拉强度、弹性模量和极限拉应变较常温试件分别下降了6.4%、8.2%、3.8%和16.6%、18.3%、8.3%;对于锚固性能试验,试件的粘结强度随处理温度和粘结长度的增加而降低,粘结长度一定时,处理温度为200℃与300℃试件的粘结强度较常温试件分别下降了31.5%~36.3%和44.2%~47.4%。建立了适于分析高温后CFRP筋轴向拉伸性能、粘结型锚固系统粘结强度及临界锚固长度的实用计算公式,且具较高精度。      

无粘结CFRP筋部分预应力混凝土连续梁试验与分析

制备了9根两跨无粘结CFRP筋部分预应力混凝土连续梁,并完成了每跨三分点加载试验。考察了在加载过程中的开裂、中支座控制截面非预应力筋屈服、跨中控制截面非预应力筋屈服、极限破坏状态等阶段的受力特征,获得了无粘结CFRP筋在设计用承载能力极限状态和真实承载能力极限状态下的应力增长规律,基于试验结果提出了在这两个状态下的中支座两侧等效塑性铰长度计算公式,提出了分别以中支座控制截面综合配筋指标为自变量和以中支座控制截面相对塑性转角为自变量的弯矩调幅的计算公式。      

混凝土结构用CFRP筋的感知性能试验研究

对混凝土结构用CFRP筋及其加筋混凝土梁的力学性能和感知性能进行试验研究。自行研制开发了不同直径和表面处理形式的CFRP筋。在此基础上,制作了三组各6个标准受拉试件,分别测试了CFRP筋的弹性模量、极限抗拉强度和电阻变化率,得到了相应的变化曲线;其次制作了两组各3根CFRP加筋混凝土梁,测试了梁中CFRP筋电阻随载荷增加的变化曲线。研究表明,CFRP筋具有很好的力学性能和感知性能,对于混凝土结构加强筋和结构受力状态监测具有广泛的应用前景。     

高温作用后GFRP筋与海水珊瑚混凝土粘结性能试验研究

为了研究高温后玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)筋与海水珊瑚混凝土的残余粘结性能,对54个GFRP筋珊瑚混凝土试件及钢筋珊瑚混凝土对比试件进行了高温作用后的中心拔出试验,最高温度为350℃,混凝土强度等级考虑C20～C30。观察了高温后试件的表观变化及粘结破坏形态,获取了各试件的粘结-滑移曲线、粘结强度、粘结刚度和峰值滑移量,分析了不同温度、GFRP筋直径、海水珊瑚混凝土强度等因素对高温后GFRP筋与海水珊瑚混凝土粘结性能的影响。基于烧失率和XRD分析,剖析了GFRP筋海水珊瑚混凝土的高温劣化机制。最后,提出高温后GFRP筋与珊瑚混凝土的剩余粘结强度计算式和粘结-滑移本构模型。研究结果表明：高温作用后,尽管GFRP筋与珊瑚混凝土的粘结破坏形态与常温相似,GFRP筋的碳化和珊瑚混凝土的分解使得二者界面发生显著劣化;随着温度的提高,GFRP筋与珊瑚混凝土的粘结强度逐渐降低,峰值滑移量增大;GFRP筋直径越小,高温后的剩余粘结强度和剩余粘结刚度越小;珊瑚混凝土强度等级越高,剩余粘结刚度越大,峰值滑移量越小。所提出的高温后GFRP筋与珊瑚混凝土剩余粘结强度和粘结-滑移本构关系计算结果与试验结...     

粘砂变形GFRP筋的粘结滑移本构关系

基于18个梁式试验、42个Losberg拉拔试验和6个标准拉拔试验,对工程中应用最普遍的粘砂变形GFRP筋与混凝土之间的粘结滑移本构关系进行了较系统的研究。研究表明:GFRP筋试件的粘结应力-滑移曲线(τ-S曲线)可分为微滑移段、滑移段、下降段和残余段,区分这四段的三个特征点分别为弹性滑移点、峰值滑移点和残余滑移点;与变形钢筋不同,GFRP筋试件τ-S曲线的上升段可分为滑移量较小的微滑移段和滑移量明显增大的滑移段,下降段的粘结应力降幅较小,残余段近似呈正弦曲线;随着直径和粘结长度的增加,GFRP筋试件τ-S曲线上峰值滑移点的滑移量减小,3个特征点的粘结应力也呈降低趋势。基于试验结果,建立了粘砂变形GFRP筋与混凝土之间粘结滑移本构关系的理论模型,并提出了曲线上特征点的粘结应力及其滑移量的计算公式。     

CFRP筋与海水海砂混凝土粘结性能试验与机制分析

通过碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)筋与海水海砂混凝土的中心及偏心拉拔试验,对比了CFRP筋在不同条件下拔出时的粘结应力及滑移值大小,得到完整的CFRP筋/海水海砂混凝土粘结-滑移曲线,同时分析了CFRP筋在混凝土中发生滑移时会产生的若干破坏模式,在此基础上对粘结-滑移曲线不同受力阶段特点进行了分析。同时,采用正交试验的方式,获得了不同因素对CFRP筋/混凝土粘结强度的影响程度。试验表明,CFRP筋/混凝土粘结力中摩擦力的占比较大,且粘结强度最主要的影响因素是混凝土的强度等级。除了传统拉拔试验中会出现的受力筋拉出破坏和混凝土劈裂破坏外,CFRP筋还会由于自身的外形、工艺及力学性能的影响,发生自身破坏。对不同破坏模式、受力筋外形的三种CFRP筋/海水海砂混凝土粘结-滑移曲线,采用多种理论表达式进行对比,最终得到不同条件下CFRP/海水海砂混凝土的粘结-滑移本构关系表达式。     

非预应力筋对无粘结预应力混凝土梁性能影响分析

为跟踪无粘结预应力混凝土梁的全过程响应,建立了一种基于法平面弧长算法的有限元模型。该算法能较好地处理梁加载过程的响应变化,可穿越梁破坏前可能出现的极值点问题。设计了7根含有不同非预应力筋配筋率的无粘结预应力混凝土梁,利用提出的数值模型对这些梁进行非线性全过程分析。分析结果表明,没有配置受拉区非预应力筋的无粘结预应力混凝土梁的弯曲性能非常不理想,在梁内配置少量的受拉区非预应力筋,能极大改善梁的性能;随着非预应力筋配筋率的提高,无粘结部分预应力混凝土梁的开裂刚度和极限承载能力有显著提高,而后弹性挠度以及无粘结预应力筋极限应力则明显降低。     

考虑粘结滑移的平面组合式单元模型研究与应用

配有弯起钢筋的简支梁算例证明,在钢筋混凝土有限元计算中为得到合理的裂缝分布与裂缝宽度,需顺裂缝走向划分网格。当配筋复杂时,采用分离式单元模型计算裂缝分布是困难的。结合现有分离式和组合式钢筋混凝土有限单元模型的优点,推求了一种新的组合式单元模型。该模型既能模拟钢筋与混凝土之间的粘结滑移,较正确地得到裂缝分布与裂缝宽度,又能使混凝土网格划分不受钢筋位置的影响。拉拔构件、配有弯起钢筋简支梁和水电站蜗壳等算例表明,该模型网格划分方便、计算精度高,可用于工程设计。     

CFRP筋粘结型锚固系统数值模拟及失效分析

针对碳纤维增强复合材料(CFRP)筋粘结型锚固系统,采用数值分析研究了不同锚具内壁与锚固胶体间的摩擦系数、不同锥形倾角、锚具前端有无直筒过渡段及有无端堵约束对筋材应力状态的影响,找出了筋材在靠近锚具端部发生破坏的原因,提出了相关强度分析方法及锚固改进方法,并用试验结果验证了方法的有效性。分析结果表明:筋材在摩擦系数为0.7时受到的径向挤压应力峰值只有摩擦系数为0.3时受到的径向挤压应力峰值的45.01%;随着锥形倾角增大,CFRP筋在锚具锥段所受的径向挤压应力峰值逐渐减小,所受剪应力峰值逐渐增大;在锥段末端增设直筒过渡段可以缓解筋材所受到的径向挤压应力与剪应力峰值,缓解系数分别为76.78%与52.90%;端堵约束的存在使锚具端部应力集中现象明显,导致筋材在锚具端部发生破坏。     

型钢混凝土结构ANSYS数值模拟技术研究

采用ANSYS程序对6个型钢混凝土梁试件的受力性能进行非线性有限元数值分析,对型钢混凝土结构数值模拟中混凝土和钢材材料模型定义、有限元建模、钢筋单元生成及后处理等关键技术进行系统研究。着重对型钢混凝土粘结滑移性能的数值模拟技术进行了研究。采用由ANSYS程序单元库中非线性弹簧单元combination-39组成的三维连接单元模拟型钢混凝土在不同部位及不同方向上的界面相互作用,建议了非线性弹簧单元粘结力-滑移曲线与型钢混凝土粘结滑移本构关系的转换技术,并提出了生成非线性弹簧单元的实用方法。最终形成考虑粘结滑移的型钢混凝土数值模拟技术。型钢混凝土梁数值模拟结果与试验结果吻合较好,表明所建立型钢混凝土结构ANSYS数值模拟技术合理、可行,可适用于基于ANSYS程序的型钢混凝土结构有限元数值模拟和受力性能深入研究。     

无粘结预应力CFRP筋钢纤维轻骨料混凝土梁受弯性能试验研究

建立无粘结预应力FRP筋张拉锚固体系,对8根以CFRP筋为非预应力筋的无粘结预应力CFRP筋轻骨料混凝土梁与1根普通混凝土对比试件进行两点对称加载,观察其破坏过程与破坏形态,分析了混凝土种类、预应力度和净跨长度对开裂弯矩、弯矩-跨中挠度曲线、裂缝宽度等受弯性能的影响.从等效轴向刚度思想出发,修正了现有的以钢筋为非预应力...     

分布式OFBG-GFRP传感筋在粘结性能试验中的应用

提出了一种新的利用分布式OFBG-GFRP智能传感筋研究GFRP筋与混凝土之间粘结特性的方法.在OFBG-GFRP的拉挤过程中,多个串连的光栅随同母材,即GFRP筋一同拉挤成型.早期的性能试验表明OFBG-GFRP筋不仅可以作为优良的增强材料使用,还具有理想的和稳定的传感特性.对3个带有OFBG-GFRP筋的混凝土粘结试件进行了直接拔出试验,在试验中自动记录了3个试件中的14个光栅的波长变化数据,这些数据连同记录的拔出力水平一起用来研究GFRP筋与混凝土之间的粘结性能.分析结果表明,GFRP筋与混凝土之间的粘结应变沿埋置深度基本呈现倒三角分布,且随着拔出力的增大,粘结应变分布也发生较为明显的变化,记录的光栅数据也很好地印证了试验过程中发生的试验现象.试验表明,所提方法可以在不影响FRP筋与混凝土之间粘结性能的情况下展开研究.     

CFRP筋-高强钢筋/高强混凝土柱的抗震性能

为了研究高强钢筋和碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)混合配筋/高强混凝土柱的抗震性能,对CFRP筋-高强钢筋混合配筋的高强混凝土柱进行了低周反复荷载试验和有限元分析,研究了CFRP筋的粘结条件、不同轴压比以及高强混凝土种类等参数对其抗震性能的影响。结果表明:所有的高强混合配筋高强混凝土柱均发生延性破坏;在相同条件下,高强混合配筋混凝土中分别添加了钢纤维活性粉末和钢纤维后,表现出更好的耗能能力和延性;有粘结CFRP筋混合配筋高强混凝土柱比无粘结CFRP筋混合配筋柱的变形能力和承载力分别提高了9.6%和17.1%,但是延性系数降低了22.5%;在延性破坏的条件下,随着轴压比的增加,CFRP筋-高强钢筋混合配筋柱的屈服强度和极限强度明显增大,极限位移和耗能能力也逐渐减小;高强钢筋和CFRP筋配筋率越高,高强混合配筋柱的极限承载力和变形能力越大。      

考虑滑移的体外预应力筋的分析理论

体外预应力筋在结构加固以及钢混组合结构中应用广泛,但是针对该类结构受力特性的分析方法并不完善,主要原因是在外荷载作用下,预应力筋与结构会产生相对滑移,传统分析方法中截面上应变协调的假设无法继续采用。体外预应力筋由于结构变形导致的应力增量是体外预应力筋分析理论中的一项重要内容,目前已有的应力增量计算方法,大多只适用于特定结构形式,或者没有考虑预应力筋在转向块处的滑移,局限性大。该文充分考虑体外预应力筋在转向块处的滑移,通过分析预应力筋的变形与结构整体变形的几何关系并进行线性化,导出了通用的体外预应力筋应力增量的计算公式,得到了其刚度矩阵的显式表达式,并构造了适用于考虑滑移的体外预应力筋的有限单元,在此基础上还提出了体外预应力筋应力增量的简化计算方法。最后通过数值算例验证了该文方法,结果表明该方法使用简便,精确度高。     

再生混凝土与钢筋粘结滑移性能的试验研究及力学分析

良好的粘结性能是确保再生混凝土与钢筋能够共同工作的前提条件。通过120个试件的拉拔试验,并结合非平衡态热力学与损伤力学的相关理论分析再生混凝土与钢筋间的粘结滑移性能。提出三段式的粘结滑移本构模型,对比表明该模型对实测粘结滑移曲线具有较好的模拟效果。分析了粘结破坏过程中的能量守恒与能量耗散特性,给出了耗散能与弹性变形能代表值的计算公式,探讨了初始弹性变形能与极限弹性变形能的关系,并基于本构破坏能,对影响粘结性能的因素进行了分析。提出相对损伤变量的概念,定义了界面相对损伤变量,推导出相对损伤滑移方程,分析了界面初始损伤、界面损伤发展阶段以及界面损伤的发展速度。研究结果可为推广应用钢筋再生混凝土结构提供基础研究资料。